燃料轉運機控制系統設計

朱 皓，董升國

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

大型機械設備長行程高精度的控制以及多個執行機構的匹配組合控制，在工業中有著大量的應用需求。中國實驗快堆換料設備轉運機是反應堆組件換料轉移的重要設備，對設備的運動速度、定位精度，以及機構配合控制有著較高要求。轉運機是一個懸臂旋轉式抓取裝置，由支承柱、懸臂、導向柱、齒條和抓手組成。通過抓手與齒條的配合相對運動來完成核反應堆組件的抓取及插入，通過導向柱的圓周運動來定位操作組件的位置[1]。

換料系統里面包括兩臺轉運機：轉運室轉運機和清洗室轉運機。轉運室轉運機位于轉運室里面，主要完成組件在轉換桶與堆內裝卸料提升機之間的組件轉移；清洗室轉運機位于清洗室內，其主要功能為完成乏組件從轉換桶至各清洗井及到水池通道的組件的轉移。

兩臺轉運機的機械結構基本類似，控制系統的組成以及控制原理也基本相同，具體區別在于導向柱的定位點以及抓手和齒條的運行行程上存在一定的區別，本文主要介紹清洗室轉運機的控制系統設計。

1 轉運機控制系統功能

根據機械設備需要執行的功能要求及動作特點，轉運機控制系統需要實現的功能如下：

1）定位控制功能。實現抓手、齒條和導向柱所要求的定位精度。

2）設備運動邏輯控制功能。通過控制程序保證設備的先后動作順序，如：組件抓、放過程中抓手和齒條的匹配運動。

3）轉運機控制系統具備就地控制和遠程控制方式，遠程控制時接收換料監控系統的控制指令，實現轉運機抓、放和轉運組件功能。

4）采集和顯示轉運機傳感器信號，并實現設備運動聯鎖和保護功能。

5）電氣保護功能。主要包括：過流、接地、過電壓、電機超速、過力矩、輸入輸出缺相等。

2 轉運機控制系統設計

轉運機控制系統是以PLC作為邏輯控制核心，以伺服放大器作為運動定位核心的雙閉環控制系統。PLC系統主要包含了CPU模塊、I/O模塊、計數組件以及定位組件等，主要完成傳感器信息采集、定位脈沖計算、聯鎖控制、定位指令下達等功能。交流伺服主要包括了伺服放大器、伺服電機、反饋編碼器等，以完成給定脈沖的定位控制，實現設備的精確定位。

控制原理框圖如圖1所示。

圖1 轉運機控制原理框圖Fig.1 Block diagram of the control principle of the transfer machine

伺服定位系統采用三菱交流伺服實現高精度的定位控制。PLC將設備的定位距離轉換為指令脈沖，通過定位組件將指令脈沖輸出給伺服放大器，驅動伺服電機旋轉定位[2]。伺服電機端編碼器反饋位置脈沖至伺服放大器，構成閉環定位系統。在負載端裝有增量型編碼器，把負載的實際位置脈沖信號反饋給PLC高速計數組件，用來與理論值比較，在伺服閉環定位完成后，判定最終的定位誤差。

2.1 轉運機驅動設計

伺服系統被定義為“以物體的位置、方位、姿勢等為控制量，組成能跟蹤目標的任意變化的控制系統”。伺服機構根據指令輸入目標值，檢測當前值并進行比較，采用使其差值變小的控制。交流伺服系統一般由驅動放大器、驅動馬達和檢測機構組成。伺服馬達在設計上，較一般馬達更注重轉子的慣性力矩和電氣的響應性，以便能響應來自伺服放大器電壓、電流的急劇變化。另外，在組成上，驅動伺服馬達的伺服放大器也能準確、快速地將速度、位置控制指令傳輸給馬達，相比于其他各種控制裝置，交流伺服系統具有響應快、速度控制范圍廣、轉矩特性在高速運轉和低速運轉時恒定、最大轉矩大等特點。

轉運機屬于大型的機械設備，其啟動力矩大，且對設備的運動速度也有較高的要求，采用交流伺服控制系統能夠滿足轉運機的定位要求。轉運機的動作機構包括了導向柱、抓手、齒條，采用3套伺服機構和1個三軸的定位模塊來發送高頻定位脈沖。轉運機控制系統選用三菱的MRJ2S伺服放大器，其具有位置、速度和轉矩三重控制模式，可用于工業機械的高精度位置控制和平穩的速度控制。通過伺服放大器面板，能進行系統的運行參數設定。清洗室轉運機的伺服放大器工作在位置控制模式。

以抓手的伺服驅動為例，當抓手在上部停車位時，接收到觸摸屏面板或上游監控系統下發的下到位目標指令后，PLC內的邏輯程序根據當前抓手的行程位置以及目標位置的差值進行定位脈沖的計算，算出抓手全行程所需的定位脈沖數，然后將定位脈沖值及啟動指令下發給伺服定位系統，伺服系統根據定位指令內部形成閉環，分別通過電流環、速度環和位置環控制抓手在運行過程中的轉矩、速度和行程。在抓手動作初期，運行速度緩慢提升，達到額定轉速，中間主要行程區間段均運行在額定轉速，在靠近目標位時提前進行減速，精確執行完所有脈沖數的驅動，保證設備的高精度定位。PLC在檢測到抓手伺服定位完成的信號后，可進行下一步執行機構的動作。在轉運機抓手的終端設置了防止設備過沖和行程超限的保護傳感器，當超限傳感器動作時，立即切斷伺服電源，使設備停車，保證設備安全。

2.2 傳感器設計

傳感器信號的反饋是定位控制系統中不可缺少的要素。控制系統是根據傳感器信號的反饋來進行偏差減少的伺服控制，轉運機的機械實體安裝在密閉的空間里，里面充滿了惰性氣體，從外面無法觀看到設備運轉的具體情況，人也不能進入到其工作的空間里。因此，對于此類設備傳感器的設置就顯得更為復雜。

轉運機的傳感器包括了干簧管、自整角機以及編碼器，編碼器包括負載編碼器及電機編碼器。電機編碼器檢測電機的旋轉反饋給伺服放大器進行定位控制，負載編碼器裝載于機械進給軸上，檢測實際的定位行程，用來顯示定位值及定位完成后的定位誤差判定。表1是針對轉運機的抓手所設置的傳感器列表。

表1 抓手傳感器列表Table 1 List of gripper sensors

定位控制主要以編碼器反饋的值作為與目標值比對的對象，抓手中有無自件的信號通過干簧管的信號檢測。SQ標識的傳感器主要用作限位信號，當限位信號動作時觸發停止信號。

2.3 控制配置

PLC是整個控制系統的控制核心，主要執行設備傳感器的反饋信號的采集、控制邏輯的執行以及動作指令的輸出，硬件配置見表2。

表2 PLC配置表Table 2 PLC Configuration table

定位控制組件接收PLC程序計算的定位脈沖數，向伺服放大器發送脈沖從而驅動伺服馬達旋轉。

輸入輸出組件用來將外部輸入信號轉化為數字信號進入PLC程序，將需要輸出的信號通過輸出組件變化為電信號輸出。

高數計數組件用來檢測負載編碼器的信號并進行計數，然后將數據傳送給PLC程序，PLC程序進行計算轉化為相對應的行程值。

由于轉運機控制系統處于換料系統的總線網絡中，需要接受上位的組件的指令信息，所以配置了總線網絡組件。

2.4 轉運機控制邏輯設計

轉運機控制有多種不同的操作模式，操作地點可分為就地觸摸屏上和遠程監控界面上，動作模式可分為點動操作、單步動作、組合動作以及自動流程控制，其中點動操作只能在就地進行，自動流程控制只能在遠程進行。

1）點動操作

點動操作就是在點動模式下，通過按住動作按鈕使轉運機的某一個執行機構單方向慢速運動，松開按鈕則設備停止運動。點動模式下設備自身的超限聯鎖保護等依然有效，此操作模式多用于調試及檢修工況。

2）單步動作

通過在觸摸屏或遠程給出一次命令，單個執行機構根據動作指令自動完成單步的動作定位，主要包括：抓手向上或向下、齒條的向上或向下、導向柱定位到某一個定位點。該過程中，由伺服驅動自動完成單個單機驅動執行機構的啟動、加速、減速及精確停止到定位點的過程。

3）組合動作

組合動作是轉運機抓手和齒條機構配合完成的功能，包括：

抓取組件：抓手向下—齒條向下—抓手向上—齒條向上。

插入組件：齒條向下—抓手向下—齒條向上—抓手向上。

組件浸鉛：齒條向下—抓手向下—抓手向上—齒條向上。

組合動作邏輯的設計上，必須保證各動作的先后順序及到位點的可靠性，轉運機的抓取組件是依靠抓手和齒條的相對運行來抓取和放下組件的，如果動作錯亂有可能導致組件的脫落。

4）自動控制流程

反應堆的換料過程是多個換料設備協調動作完成的，轉運機是組件轉移過程中的一個設備。當換料監控系統進行自動換料流程后，會根據整體的換料流程邏輯，在需要轉運機參與執行功能時，由主控PLC給轉運機控制系統下發導向柱定位、抓取組件、插入組件以及組件浸鉛指令，轉運機控制系統收到指令后，通過自身的邏輯保證動作的執行，執行完畢后反饋信息，整體換料流程繼續后面的步驟[3]。

5）定位脈沖補償邏輯

根據機械傳動原理，當導向柱從原位（左端）順時針旋轉180°時，齒條會自動下移一定距離，抓手自動上移一定距離，抓手和齒條間形成一定值的相對位移。

這種位移是與導柱的轉角成正比的。在導柱旋轉時，齒條和抓手的負載編碼器是保持不動的。因此，需對齒條和抓手上下到位的行程進行補償，其目的是：無論導柱停靠在哪個站點，當齒條和抓手都到達下位時，使它們與地面的距離（絕對高度）保持不變，以保證組件的抓取和插入操作是在同一高度上進行的。而當它們都到達上位時，使齒條和抓手的相對位移為零，以保證能對抓手中的組件類型做出準確判斷。

2.5 轉運機控制系統故障保護設計

故障監視及保護是保證機械設備安全可靠運行的關鍵，轉運機控制系統通過采集現場傳感器以及讀取伺服定位模塊里的故障代碼，在控制系統里進行邏輯處理。根據轉運機的運動特點，設置如下的故障類型：

1）驅動故障

由伺服放大器給出，表示其驅動部分發生了故障。

2）行程故障

在定位完成后，定位誤差超出了規定范圍時，由程序根據設定的最大允許誤差判斷給出。

3）安全離合器故障

在導向柱、抓手和齒條的電動機與負載傳動之間安裝有安全離合器，當傳動鏈或設備發生故障導致力矩過大，安全離合器會抬起，導致電動機與機械傳動分離，從而對設備進行保護。傳感器采用干簧管，每個安全離合器上安裝兩個干簧管，分別與離合器的嚙合位置和脫開位置相互對應。

4）超時限故障

由于某種原因導致磁性離合器打滑時，電機仍在旋轉而負載編碼器保持不動。這種狀況可通過程序來進行判斷，給出超時限故障信號。

5）通訊故障

通訊故障是指連接轉運機與主控PLC之間的現場總線的通訊發生故障。所有的故障發生時，轉運機控制系統程序自動做停機處理，保護設備及組件的安全。

3 總結

轉運機控制系統采用伺服驅動進行設備的定位控制，采用PLC進行設備的邏輯控制。通過合理的傳感器設置及驅動參數匹配，轉運機的各執行機構均可快速平穩精確地完成動作定位。通過控制模式、動作邏輯以及故障保護的設計，轉運機可安全可靠地完成組件的抓放及轉移功能。該設備控制系統已經在實際的換料中經過了多次考驗，運行安全可靠。